Robotyzacja w przemyśle spożywczym

Pomiary Automatyka Robotyka 1/2007
Robotyzacja w przemyśle
spożywczym
Jan Barczyk
W artykule przedstawiono wybrane problemy dotyczące zastosowania
robotów przemysłowych w przemyśle spożywczym i omówiono kilka
przykładowych rozwiązań. Zwrócono uwagę na problematykę chwytania
artykułów spożywczych.
d wielu lat roboty stosowane są z sukcesem w różnych gałęziach przemysłu (samochodowy, elektroniczny, maszynowy) i obecnie trudno jest wyobrazić
sobie na przykład proces zgrzewania karoserii samochodu lub montażu sprzętu elektronicznego bez użycia
robotów. Pojawiające się nowe roboty, zwykle ze złożonymi układami kinematycznymi, urządzeniami sensorycznymi i systemami wizyjnymi oraz adaptacyjnymi
algorytmami sterowania, umożliwiają realizację najbardziej skomplikowanych zadań. Dzięki temu możliwe
jest ciągłe rozszerzanie zakresu realizowanych zadań,
nie tylko w przemyśle samochodowym (na przykład
zrobotyzowany montaż szyb, kół i innych elementów
indywidualnego wyposażenia) lecz również w innych
gałęziach przemysłu, mniej podatnych na robotyzację.
Rozwój techniki robotyzacyjnej stwarza coraz większe
możliwości wykorzystania robotów w przemyśle spożywczym.
Preferencje robotów do ich stosowania w przemyśle
spożywczym polegają między innymi na:
dużej prędkości działania, umożliwiającej ciągłą
współpracę z szybkimi liniami produkcyjnymi
możliwości realizacji chwytania grupowego, na przykład jednoczesnego uchwycenia kilkunastu butelek
i załadowania ich do skrzynki
łatwości rozwiązania problemów pakowania i paletyzacji
współpracy robota z systemami wizyjnymi, umożliwiającymi na przykład śledzenie i odpowiednie
uchwycenie obiektów przemieszczających się na taśmie produkcyjnej
wielozadaniowej obsłudze stanowiska i łatwości przeprogramowania realizowanych zadań
możliwości pracy robota w niskiej temperaturze, na
przykład w chłodniach.
W przemyśle spożywczym występują jednak problemy nie spotykane w dotychczas robotyzowanych gałęziach przemysłu. W szczególności wymienić należy:
16
Dr inż. Jan Barczyk
Instytut Automatyki i Robotyki
Politechnika Warszawska
specyficzne właściwości chwytanego obiektu (różne
kształty, wymiary, delikatne struktury, materiały kruche lub miękkie itp.)
higieniczne warunki pracy
wymagania dla robota (np. wodoszczelny, wytrzymały
na mycie).
W masowej produkcji artykułów spożywczych najczęściej stosowane są wyspecjalizowane urządzenia automatyczne, jednak znacząco ograniczają one elastyczność
produkcji. Natomiast wymagania rynku wymuszają dostarczanie różnorodnych produktów i produkowanie
krótkich serii. Zastosowanie w takich przypadkach
robotów nie wymaga kosztownych zmian konstrukcyjnych automatów, lecz jedynie zmiany oprogramowania
i ewentualnie urządzenia chwytającego. Korzyści płynące z robotyzacji przemysłu spożywczego polegają na
poprawie jakości, zachowaniu higienicznych warunków,
powtarzalności procesu i redukcji kosztów pracy.
W roku 1996 w Japonii [1] zainstalowano pierwszy
zrobotyzowany system składający się z robota Motoman SV035 współpracującego z systemem wizyjnym
śledzącym taśmę produkcyjną. Robot SV035 spełniał
podstawowe wymagania przemysłu spożywczego:
duża szybkość działania (do 100 elementów zdejmowanych z taśmy w ciągu jednej minuty), zmywalność
(odporność mechanizmów na wodę i środki czystości
ze względu na warunki higieniczne) i małe wymiary (ze
względu na brak miejsca wśród innych urządzeń technologicznych). System wizyjny zawierał kamerę CCD
i oświetlenie – na podstawie analizy obrazu wyznaczane
były współrzędne obiektów przemieszczanych przenośnikiem. System wizyjny z odpowiednim oprogramowaniem umożliwiał przekazanie do układu wykonawczego
robota sygnałów sterujących i prawidłowe uchwycenie
obiektu. Nie były potrzebne żadne mechaniczne urządzenia orientujące i odpowiednio ustawiające obiekt
przed uchwyceniem. Przetwarzanie informacji wizyjnych było na tyle szybkie, że prędkość przenośnika wynosiła do 20 m/min. Robot SV035 wyposażony został
w specjalne chwytaki (podciśnieniowe i z końcówkami
chwytnymi), spełniające następujące warunki: krótkie
czasy uchwycenia i uwolnienia obiektu, możliwość
chwytania różnych obiektów tej samej klasy. Chwytak
podciśnieniowy był przyłączony do zbiornika wyrów-
Pomiary Automatyka Robotyka 1/2007
nawczego i pompy próżniowej. Chwytak mechaniczny
zasilany był sprężonym powietrzem ze sprężarki.
Zainteresowanie robotyzacją przemysłu spożywczego
ciągle wzrasta i na przykład w roku 1998 zainstalowano
około 1000 robotów (przy ogólnej liczbie wówczas już
pracujących w przemyśle spożywczym około 6500
sztuk) a w roku 2005 zastosowano ponad 2500 sztuk
[2]. Szczególnie duże zainteresowanie w tym zakresie
obserwuje się w Europie, gdzie dostrzega się takie zalety
robotyzacji jak uelastycznienie procesu wytwarzania
i podwyższenie standardu artykułów spożywczych oraz
poprawę bezpieczeństwa pracy.
W przemyśle spożywczym roboty mogą realizować
różnorodne zadania, ale najczęściej stosowane są do
przenoszenia artykułów spożywczych (bezpośrednio
lub w opakowaniu) oraz do paletyzacji. Typowe zadania polegają na przenoszeniu artykułów spożywczych
z przenośnika taśmowego do pojemników lub na inny
przenośnik, albo na układaniu pojemników na palecie.
Istotnym problemem jest w tych przypadkach współpraca robota z przenośnikiem taśmowym – stosowane
są różne rozwiązania, zarówno z firmowymi robotami
i systemami wizyjnymi jak i specjalizowanymi układami,
na przykład inteligentne manipulatory zintegrowane
z przenośnikiem [4].
Warto zaznaczyć, że producenci artykułów spożywczych starają się unikać kontaktu człowieka z żywnością, gdyż pracownicy są głównym źródłem skażeń
w fabrykach.
wirnikowe pompy próżniowe (gdy wymagana jest większa wydajność) lub eżektory. Pierwsze rozwiązanie jest
energooszczędne, charakteryzuje się cichą pracą i niewrażliwością na zanieczyszczenie zasysanego powietrza. Natomiast wadami są: złożona konstrukcja, wysoka
cena urządzenia, duża masa i wymiary, długi czas reakcji oraz możliwość pracy tylko w trybie ciągłym. Mimo
tych wad takie rozwiązanie jest częściej stosowane
w przemyśle spożywczym niż eżektorowe generatory
podciśnienia, których głównymi wadami są: duże zużycie sprężonego powietrza, głośna praca, wrażliwość
na zanieczyszczenie zasysanego powietrza oraz fakt, że
strumień wylatującego z eżektora powietrza może powodować zapylenie w pomieszczeniach.
Pobieranie produktów z linii produkcyjnej realizowane może być pojedynczo lub grupowo – w przemyśle spożywczym najczęściej występuje drugi przypadek
(rys. 1).
a)
b)
Chwytanie żywności
W przemyśle maszynowym i elektronicznym obiekty
są spójnie ukształtowane i łatwe do uchwycenia, natomiast w przemyśle spożywczym, szczególnie w przemyśle mięsnym, produkty znacząco różnią się nie tylko
kształtem i wymiarami lecz również są miękkie (na przykład świeże mięso). Chwytak musi być bardziej uniwersalny i elastyczny. Stosowane są różne rozwiązania,
na przykład chwytak składający się z dwóch płaskich
palców owiniętych cienką błoną, której drugi koniec
połączony jest ze sprężynującą szpulą – umożliwia to
obsługę szerokiej gamy produktów różniących się wymiarami, kształtem, powierzchnią.
Trudnym problemem jest również chwytanie zamrożonych artykułów spożywczych, gdyż warstwa szronu
na powierzchni znacząco zmienia warunki uchwycenia.
Zrobotyzowane chwytanie powinno również wyeliminować wzajemne zanieczyszczenie produktów, dla których obowiązuje ścisła higiena.
W procesach pakowania bardzo często stosuje się
chwytanie adhezyjne, polegające na wywarciu takiej
siły przylegania obiektu do przyssawki, aby uniemożliwić jego przemieszczanie się w procesie manipulacji.
Najczęściej siła ta jest wywierana przez podciśnienie
działające na określonej powierzchni – żądaną wartość
siły można uzyskać zwiększając powierzchnię czaszy
przyssawki lub liczbę przyssawek. Do wytwarzania podciśnienia w chwytakach podciśnieniowych stosuje się
Rys. 1. Chwytanie grupowe: a) pojedyncze przyssawki dla każdego obiektu, robot firmy Mariani [9]; b) jednoczesne
uchwycenie końcówkami chwytaka, robot firmy Motoman [10]
Robot w rzeźni
W zakładach mięsnych w Biedenkopft (Niemcy) zastosowano roboty przemysłowe firmy Kuka na linii produkcyjnej uboju świń [3]. Zachowana jest pełna sterylność
– narzędzia używane przez roboty są dezynfekowane
gorącą wodą o temperaturze 82 °C. Cała konstrukcja
chroniona jest białymi pokrowcami.
Na jednym ze stanowisk (rys. 2a) znajdują się cztery
roboty i laserowy system pomiarowy 3D. System ten śledzi przemieszczającą się tuszę i generuje, zależnie od
wielkości i wagi świni, odpowiednie sygnały do układu
sterowania robota, umożliwiające wyznaczenie trajektorii cięcia. Pierwszy robot KR 30 rozcina brzuch świni,
a następny, taki sam lecz zawieszony, specjalnym narzędziem usuwa wnętrzności. Trzeci robot KR 60, także na
podstawie informacji z systemu pomiarowego, rozcina
17
Pomiary Automatyka Robotyka 1/2007
tasakiem miednicę a następny robot precyzyjnie rozcina
piłą tuszę na dwie połówki. Korzyści wynikające z zastosowania robotów w przedstawionym wyżej procesie polegają głównie na znacznym skróceniu czasu usuwania
wnętrzności, na dokładniejszym rozcięciu tuszy oraz na
mniejszym zużyciu narzędzi.
Na rys. 2b przedstawiono fragment zrobotyzowanego
stanowiska do cięcia półtusz. Na stanowisku zastosowano robot KR 125 z okrągłą piłą do cięcia. Do optymalizacji cięcia dostarczanych półtusz, których masa
wynosić może od 70 do 120 kg, pobierane są informacje
z dwóch kamer. Zgodnie z programem robot wycina najpierw polędwicę, później szynkę, a następnie wycina zaprogramowane wymiarowo lub wagowo porcje mięsa.
Dzięki zastosowaniu robota uzyskano między innymi
dokładniejsze wycięcie polędwicy i szynki, lepszą jakość
mięsa oraz porcjowanie zgodnie z zamówieniami.
a)
b)
nie odłożenie porcji, które nie spełniają określonych
wymagań jakości (np. za małe, za duże, niekształtne).
Rys. 4. Stanowisko do porcjowania mięsa
Firma ABB [6] oferuje kompletnie wyposażone linie
z robotami i systemem wizyjnym (rys. 5a) do realizacji
różnorodnych zadań w przemyśle spożywczym, na przykład pakowanie ciasteczek i innych wyrobów piekarniczych, układanie czekoladek w bombonierkach, pakowanie lodów. Stosowany na tych stanowiskach robot
FlexPicker o równoległej kinematyce (rys. 5b) wyróżnia
się niezwykle dużą szybkością działania. Może on chwytać produkty przemieszczające się na taśmie i realizować
do 120 cykli na minutę, osiąga przyspieszenia do 10 g.
Robot ma stopień ochrony obudowy IP67 i może być
myty wodą i innymi środkami czyszczącymi.
Jedno z ciekawszych zastosowań takiej linii dotyczy
zrobotyzowanego pakowania zamrożonej pizzy [7].
Rys. 2. Roboty KUKA w rzeźni: a) rozbiór świńskiej tuszy,
b) dzielenie półtuszy na porcje
a)
Porcje mięsa, ze względu na różnorodny wymiar
i kształt, różną strukturę powierzchni oraz sztywność
(świeże i mrożone), są obiektem kłopotliwym do uchwycenia. Ten problem próbuje się rozwiązać w wielu ośrodkach badawczych, między innymi w Georgia Tech Research Institute [4] badano wykorzystanie chwytaków
podciśnieniowych (rys. 3a) do chwytania kurzych piersi
z taśmy i przenoszenia na tacki.
b)
a)
b)
Rys. 5. Zrobotyzowane porcjowanie: a) schemat
linii produkcyjnej,
b) robot FlexPicker
(IRB 340)
Rys. 3. Różne sposoby uchwycenia porcji mięsa: a) chwytak
podciśnieniowy [4], b) chwytak mechaniczny z końcówkami chwytnymi [5]
Ciekawe rozwiązanie zrobotyzowanego stanowiska
do porcjowania, klasyfikowania i ważenia oferuje firma
AEW Delford Systems z Wielkiej Brytanii [5]. Na tym
stanowisku robot może chwytać pojedyncze kawałki
mięsa (z kością lub bez kości) dostarczane z krajalnicy
lub z przenośnika taśmowego i przenosić je na tacki.
W skład stanowiska (rys. 4) wchodzą: robot IRB 340
firmy ABB, system wizyjny oraz waga. System wizyjny
dokładnie określa położenie i zorientowanie porcji
na przenośniku, dzięki czemu możliwe jest właściwe
uchwycenie i ułożenie porcji w pojemniku, ewentual-
18
Z zamrażarki przenośnikami taśmowymi dostarczane są
wyroby o różnym kształcie (okrągłe, owalne, trójkątne),
różnym typie i różnych wymiarach a dodatkowo niektóre mogą nie spełniać wymagań jakościowych. Na linii
zastosowano dwa roboty FlexPicker i system wizyjny
PickMaster z jedną kamerą dla każdego robota. Analiza
obrazu umożliwia wyznaczenie współrzędnych (pozycji
i zorientowania) chwytanego obiektu i wygenerowanie
odpowiednich sygnałów sterujących do robota. Pizza
musi też być delikatnie chwytana i nie powinny zostać
uszkodzone dodatki (ser, pomidory itp.) znajdujące się
na jej powierzchni. Na uruchomionej w 2004 roku we
Włoszech linii produkcyjnej roboty wyposażone są
Pomiary Automatyka Robotyka 1/2007
w dwa typy chwytaków, stosowanych zależnie od typu
produktu – chwytaki z czterema końcówkami umożliwiają chwytanie przedmiotów o okrągłych kształtach za
obwód, w innych przypadkach są stosowane chwytaki
podciśnieniowe.
Szybkie roboty
Kilka firm oferuje roboty przeznaczone do obsługi
taśmy produkcyjnej, gdzie wymagane jest szybkie zdejmowanie przemieszczających się obiektów. Jednym
z najszybszych robotów jest Quickplacer hiszpańskiej
firmy Fatronik [8] – osiąga on przyspieszenia do 15 g i
może wykonywać do 200 cykli na minutę. Podobne pa-
Rys. 6. Robot firmy Fanuc na stanowisku pakowania
przenoszenie pustych butelek odbywało się bez zbędnych przyspieszeń powodujących uderzanie się butelek.
Na rys. 7a przedstawiono robota na stanowisku pakowania i paletyzacji butelek z piwem w jednym z browarów
niemieckich. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów uczestniczył w robotyzacji stanowiska do paletyzowania w browarze Bosman w Szczecinie (rys. 7b).
Robot w szczególnych warunkach
Jak kilkakrotnie wspomniano istotnym warunkiem
stosowania robotów w przemyśle spożywczym jest
zachowanie wysokiego standardu higieny, eliminacja
zanieczyszczeń i zagrożeń bakteryjnych. Wszyscy znaczący producenci robotów oferują specjalne wykonania, tzw. „cleanroom robots” – wszystkie roboty mają
napęd elektryczny, specjalne pokrycia powierzchniowe
elementów konstrukcyjnych, czasem niektóre elementy
są wykonane ze stali nierdzewnej, niekiedy stosuje się
specjalne pokrowce. Na przykład firma Kuka proponuje
kilka znacznie różniących się rozwiązań – od małego
sześcioosiowego robota KR 3 CR (rys. 8a) do wykonań
ze stali nierdzewnej (rys. 8b) i ewentualne stosowanie
dodatkowych pokrowców ochronnych (rys. 8c).
a)
b)
c)
rametry ruchowe do omówionego wyżej robota firmy
ABB ma robot M-430iA/2F firmy Fanuc (rys. 6) – może
on wykonać 120 cykli na minutę przy obciążeniu masą
1 kg lub 100 cykli przy obciążeniu 2 kg. Ten robot o pięciu osiach ma zwartą konstrukcję, może być montowany
w różnym położeniu, spełnia standardy czystości. We
współpracy z systemem wizyjnym umożliwia wiele zastosowań.
Rys. 8. Roboty do pracy w szczególnych warunkach:
a) KR 3 CR, b) KR 15 SL, c) Wash Down Robot
Robot w browarze
Dużo robotów stosowanych jest obecnie w browarach
do realizacji takich zadań jak: wyjmowanie pustych
butelek z pojemników, załadowania pojemników butelkami z piwem, paletyzowania skrzynek itp. W porównaniu z konwencjonalnymi maszynami paletyzującymi stanowisko zrobotyzowane zajmuje o wiele mniej
miejsca. Najczęściej robot wyposażony jest w chwytak
pneumatyczny, tak zaprojektowany aby uchwycić komplet butelek niezbędnych do zapełnienia pojemnika.
Ważne jest, że można tak zaprogramować robota, aby
a)
b)
Rys. 7. Roboty w browarze: a) KR 150 firmy Kuka, b) Browar
Bosman - Szczecin
Firma Fanuc do pracy w chłodniach, przy niskich
ujemnych wartościach temperatury, przewiduje roboty
serii M410iB, wyposażone w specjalny skafander z doprowadzeniem podgrzanego powietrza po zasygnalizowaniu przekroczenia minimalnej temperatury pracy.
Procesy paletyzacji/depaletyzacji często realizowane
są w chłodniach – firma KUKA oferuje „arktyczny”
typ robota przeznaczonego do pracy w niskiej temperaturze, np. w przemyśle spożywczym stosowane są
technologie głębokiego zamrażania w temperaturze
–30 °C (rys. 9).
Wielu producentów mrożonek
uznaje za celowe wprowadzenie robotyzacji pakowania ze względu na
pracę w warunkach wychłodzenia
i różnorodnej produkcji. Roboty instaluje się na linii pakowania toreb
Rys. 9. Robot do pracy w niskiej temperaturze
19
Pomiary Automatyka Robotyka 1/2007
z produktami o różnej masie i wymiarach do pudełek
i układania pudełek na palety. Na przykład u jednego
z producentów mrożonek w Wielkiej Brytanii na linii
pakowania zastosowano trzy roboty firmy Motoman:
jeden układa torebki w pudełku, drugi przenosi załadowane pudełko do oklejenia a trzeci układa pudełka na
palecie w stosy (8 warstw po 10 pudełek), oddzielając
poszczególne warstwy tekturą. Po wdrożeniu tych robotów okazało się, że potrzebują one mniej miejsca niż
dotychczas zatrudniony pracownik.
Pakowanie
Standardowym zastosowaniem robotów w przemyśle
spożywczym jest pakowanie, zarówno bezpośrednio
do opakowań (tacki, pojemniki) jak i opakowanych
produktów do kartonów oraz układanie kartonów na
paletach.
Paletyzacja służy do grupowania wyprodukowanych
elementów tego samego typu, wymiarów, wagi itd.
w większe ilości do pojemników kartonowych, plastikowych, a nawet w kontenery. Taki system pakowania
produktów w coraz większe pojemniki w znacznym
stopniu ułatwia zarówno składowanie, ładowanie jak
i transportowanie, a później z kolei wyładunek. Robotyzacja pakowania dotyczy najczęściej stanowisk paletyzujących, na których pojemniki (kartony) układane są
na paletach warstwami, zwykle rozdzielanymi płytami
a)
b)
tekturowymi. Niektórzy producenci robotów przemysłowych oferują roboty specjalnie zaprojektowane do
paletyzacji/depaletyzacji (rys. 10), wyposażone między
innymi w skanery kodów paskowych identyfikujące
produkty oraz systemy wizyjne o różnorodnych możliwościach (np. rozpoznawania zorientowania pakowanych produktów lub zapełnienia palety). Opracowano
również specjalistyczne oprogramowanie, umożliwiające między innymi zaoszczędzenie czasu programowania i obliczenie optymalnego ułożenia produktów
w poszczególnych warstwach na palecie [11].
Podsumowanie
Roboty są coraz prostsze w użyciu, stają się relatywnie
tańsze mimo coraz bogatszego wyposażenia, więc ciągle rozszerza się obszar ich zastosowań. Na wystawie
Anula FoodTech, która w kwietniu 2006 roku odbyła się
w Niemczech, kilkunastu producentów robotów przemysłowych prezentowało kompletne zrobotyzowane
systemy dla przemysłu spożywczego, jednak głównie
przeznaczone do pakowania i paletyzacji.
Powyżej przedstawiono jedynie wybrane przykłady
zastosowań robotów w przemyśle spożywczym – roboty
mogą być i są stosowane na różnych etapach produkcji
artykułów spożywczych, np. do dekorowania wyrobów,
do kontroli przebiegu procesu produkcyjnego.
Zrobotyzowane systemy z urządzeniami wizyjnymi
są uniwersalne, łatwo można je przeprogramować na
inny rodzaj zadań – zwykle niezbędna staje się jedynie
wymiana specjalnego chwytaka. Zmiana typu opakowania produktu (kształtu, wymiarów itp.) nie wymaga
więc kosztownych zmian konstrukcyjnych urządzeń
pakujących. Producenci artykułów spożywczych coraz
częściej dostrzegają również, że roboty nie męczą się, są
uważne i dokładne, oraz nie nudzą się i nie denerwują
wykonując monotonne czynności przy taśmie produkcyjnej. Nie mówiąc o tym, że nie wnoszą zagrożeń chorobowych dla człowieka i nie chorują.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Rys. 10. Roboty patetyzujące: a) firmy Motoman, b) firmy
Kuka
20
8.
9.
10.
11.
Hamazawa M.: Robot applications in the Japanese
food industry. Industrial Robot, v. 26, 1999, nr 4,
s. 274–277
International Federation of Robotics.
www.ifrstat.org
KUKA Robotics Corporation. www.kuka.com
Georgia Tech Research Institute.
www.gtresearchnews.gatech.edu
AEW Delford Systems. www.aewdelford.com
ABB Group. www.abb.com
Andersson H.J.: Picking pizza picker. ABB Review.
Special Report: Robotics 3/2005
Fatronik. www.fatronik.com
Mariani S.A. www.mariani-it.com
Motoman. www.motoman.com
Barczyk J., Jarzembski B.: Robotyzacja pakowania
– problemy i rozwiązania. PAR 5/2004, s. 13–16.